Sincrotró

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Esquema d'un sincrotró de trajectòria circular de la qual surten les línies de llum.

Un sincrotró és un tipus particular d'accelerador de partícules circular en què el camp magnètic (que fa que les partícules girin) i el camp elèctric (que accelera les partícules) estan sincronitzats de forma precisa amb el feix de partícules en moviment.[1]


Característiques[modifica | modifica el codi]

A diferència d'un ciclotró, que utilitza camps magnètics i elèctrics constants, i d'un sincrociclotró, en què es varia un dels dos camps, en el sincrotró es varien ambdós camps, incrementant-los apropiadament a mesura que les partícules guanyen energia, per fer que el radi de la seva trajectòria es mantingui constant a mesura que aquestes són accelerades. Això permet que la cambra de buit per on circulen les partícules tingui la forma d'un llarg i estret tor (més conegut com a «forma de dònut»), a diferència de les cambres en forma de disc dels ciclotrons. En realitat, és més fàcil utilitzar una combinació de segments de tub rectes i corbats, donant a la forma de dònut la forma d'un polígon amb molts costats. Aquesta forma també permet i requereix la utilització de múltiples imants per corbar el feix.

La màxima energia que un accelerador circular pot impartir està típicament limitada per la força del camp magnètic i el radi màxim de la trajectòria de les partícules. En el cas d'un electroimant ordinari (no superconductor) la força del camp magnètic està limitada per la saturació del nucli (quan tots els dominis magnètics estan alineats, el camp no es pot incrementar més). Per tant, per aconseguir una màquina amb una energia el més gran possible, hem d'intentar aconseguir que el seu radi sigui també el més gran possible (o bé trobar una manera de superar la limitació de força del camp magnètic, per exemple, amb electroimants superconductors).

En un ciclotró, les partícules comencen al centre del disc i es mouen en forma d'espiral cap a l'exterior, de manera que la cambra de buit i el parell d'imants han de ser tan grans com el radi màxim de la trajectòria de les partícules. Tan tècnicament com econòmicament, això limita molt el radi màxim de la trajectòria, i, en estar el radi limitat, l'energia de la màquina esdevé també limitada per la força del camp magnètic.

Els sincrotrons superen aquestes limitacions, permetent un ample tub de feix que pot ser rodejat per imants més petits i més focalitzats. La capacitat d'aquests aparells per accelerar partícules està limitada per la pèrdua d'energia deguda a la radiació de llum (radiació de sincrotró) de les partícules accelerades. L'energia límit s'aconsegueix quan l'energia perduda en l'acceleració lateral requerida per mantenir la trajectòria circular del feix, iguala l'energia aportada a cada volta. Es poden construir acceleradors més potents utilitzant trajectòries amb un radi més llarg i també utilitzant un major nombre i una major potència de les cavitats de microones necessàries per accelerar les partícules als vèrtexs del polígon. Les partícules més lleugeres (com els electrons) perden una fracció molt important de la seva energia girant. A la pràctica, l'energia dels acceleradors d'electrons/positrons està limitada per aquesta pèrdua de radiació. Per contra, aquesta no juga cap paper important en la dinàmica dels acceleradors de protons i ions. L'energia d'aquests està estrictament limitada per la força dels imants i pel cost de construcció.

Grans sincrotrons[modifica | modifica el codi]

Alguns dels sincrotrons moderns són aparells realment grans (a la imatge, el sincrotró Soleil, prop de París).

El primer sincrotró de protons va ser el Cosmotró, construït en el Laboratori Nacional Brookhaven, als Estats Units. Va començar a funcionar el 1952, aconseguint una energia de 3 GeV.

Un altre dels primers grans sincrotrons, ara ja retirat, és el Bevatró, acabat el 1954 al Laboratori Lawrence Berkeley (EUA). El nom d'aquest accelerador de protons procedeix de la seva energia, en el rang dels 6,3 GeV, abans anomenats BeV per bilió d'electrovolts (els americans anomenen bilió al que els europeus anomenem 1.000 milions). El nom precedeix l'adopció del prefix Giga pel SI. Un cert nombre d'elements pesats, inexistents a la naturalesa, van ser creats per primera vegada amb aquesta màquina. Aquest lloc va ser també un dels primers a tenir una cambra de bombolles, un tipus de detector de partícules utilitzat per examinar els resultats de les col·lisions subatòmiques.

Un dels sincrotrons de més alta energia és el Tevatró, al Laboratori Nacional d'Acceleradors Fermi (Fermilab) també als Estats Units. Accelera protons i antiprotons a gairebé 1 TeV d'energia cinètica i els fa col·lidir entre ells.

Actualment, el sincrotró de més alta energia del món és el Gran Col·lisonador d'Hadrons (LHC) que va ser inaugurat el 2008 al Laboratori Europeu de Física d'Altes Energies (CERN). Té una energia de 7 TeV i es va construir en el túnel de 27 km que antigament contenia el Gran col·lisionador d'Electrons i Positrons (LEP), amb la qual cosa manté l'estatus de l'aparell científic més gran mai construït.

L'aparell més gran d'aquest tipus que es va proposar construir va ser el Super Col·lisionador Superconductor (SSC) que havia de ser construït al desert de Texas (EUA). En el seu disseny utilitzava imants superconductors que permeten camps magnètics més intensos sense les limitacions de saturació del nucli. Quan la seva construcció ja havia començat, el projecte va ser cancel·lat pel Congrés dels Estats Units el 1994 citant expressament excessives pujades del pressupost. Això va ser degut a estimacions ingènues del cost i a una mala gestió econòmica més que a grans errors tècnics. Es pot argumentar també que el final de la Guerra Freda va provocar un canvi en les prioritats dels fons destinats a investigació científica que va contribuir a la cancel·lació.

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

Els grans sincrotrons s'utilitzen per a la investigació en física de partícules, també anomenada física d'altes energies per les col·lisions d'altíssima energia entre partícules subatòmiques. En aquest aspecte, els sincrotrons s'utilitzen com a microscopis on com més alta és l'energia d'una col·lisió més petites són les partícules que podem observar. Amb això, els físics esperen poder descobrir els detalls de l'estructura bàsica de l'Univers. Durant anys, els resultats obtinguts dels ciclotrons primer i dels sincrotrons després han permès elaborar una teoria sobre quines són les partícules elementals i com estan relacionades entre elles. Aquesta teoria s'anomena Model estàndard.

Però la constant necessitat de construir màquines cada vegada de més alta energia per a poder observar la matèria a més petita escala, han elevat els costos de construcció d'un gran sincrotró a nivells inabastables per a la majoria de països (inclús els països considerats rics). Per això, actualment només Estats Units, o grups de països com els que formen el CERN (tots països europeus) disposen d'aquesta tecnologia. Naturalment, això fa que el nombre de grans sincrotrons sigui força baix.

D'altra banda, la majoria dels sincrotrons actuals es construeixen amb la finalitat expressa de la utilització de la llum de sincrotró. Aquesta radiació, que en un principi només era una molesta pèrdua d'energia que s'intentava minimitzar, actualment s'ha convertit en una poderosa eina per analitzar la matèria orgànica i inorgànica amb aplicacions en gairebé tots els camps de la ciència: física, química, biologia, ciència de materials,... Els sincrotrons d'aquest tipus no han de ser ni de bon tros tan grans com els dedicats a la física de partícules i és per això que la majoria de països desenvolupats en tenen com a mínim un.

A continuació es mostra una llista no exhaustiva de les aplicacions d'aquest segon tipus de sincrotró:

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «Sincrotró i grans supercomputadors». Web. Generalitat de Catalunya, 2012. [Consulta: Agost 2013].

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Sincrotró Modifica l'enllaç a Wikidata